Cellulaire ademhaling en fotosynthese zijn in wezen tegengestelde processen. Fotosynthese is het proces waarbij organismen hoog-energetische verbindingen maken - in het bijzonder de suikerglucose - door de chemische "reductie" van kooldioxide (CO2). Cellulaire ademhaling, aan de andere kant, heeft betrekking op de afbraak van glucose en andere verbindingen door chemische "oxidatie". Fotosynthese verbruikt CO2 en produceert zuurstof. Cellulaire ademhaling verbruikt zuurstof en produceert CO2.

Fotosynthese

In fotosynthese wordt energie uit licht omgezet in chemische energie van verbindingen tussen atomen die processen in cellen voeden. Fotosynthese ontstond 3,5 miljard jaar geleden in organismen, heeft complexe biochemische en biofysische mechanismen ontwikkeld en komt tegenwoordig voor in planten en eencellige organismen. Vanwege de fotosynthese bevatten de atmosfeer en de zeeën van de aarde zuurstof.

Hoe fotosynthese werkt

In fotosynthese worden CO2 en zonlicht gebruikt om glucose (suiker) en moleculaire zuurstof (O2) te produceren. Deze reactie vindt plaats door verschillende stappen in twee fasen: de lichte fase en de donkere fase.

In de lichte fase drijft energie van licht reacties op die water splitsen om zuurstof vrij te maken. In dit proces worden hoogenergetische moleculen, ATP en NADPH, gevormd. De chemische bindingen in deze verbindingen slaan de energie op. Zuurstof is een bijproduct en deze fase van fotosynthese is het tegenovergestelde van oxidatieve fosforylatie van het cellulaire ademhalingsproces, hieronder besproken, waarin zuurstof wordt verbruikt.

De donkere fase van fotosynthese is ook bekend als de Calvin-cyclus. In deze fase, die de producten van de lichte fase gebruikt, wordt CO2 gebruikt om de suiker, glucose te maken.

Cellulaire ademhaling

Cellulaire ademhaling is de biochemische afbraak van een substraat door oxidatie, waarbij elektronen worden van het substraat overgebracht naar een "elektronenacceptor", die uit een verscheidenheid aan verbindingen of zuurstofatomen kan bestaan. Als het substraat een koolstof- en zuurstofbevattende verbinding is, zoals glucose, wordt koolstofdioxide (CO2) geproduceerd door glycolyse, de afbraak van glucose.

Glycolyse, die plaatsvindt in het cytoplasma van een cel, breekt glucose af naar pyruvaat, een meer "geoxideerde" verbinding. Als er voldoende zuurstof aanwezig is, verplaatst pyruvaat zich naar gespecialiseerde organellen die mitochondriën worden genoemd. Daar wordt het afgebroken tot acetaat en CO2. De CO2 wordt vrijgegeven. Het acetaat komt in een reactiesysteem dat bekend staat als de Krebs-cyclus.

De Krebs-cyclus

In de Krebs-cyclus wordt acetaat verder afgebroken zodat de overblijvende koolstofatomen worden afgegeven als CO2. Dit is tegengesteld aan een aspect van fotosynthese, het binden van koolstoffen aan CO2 om suiker te maken. Naast CO2 gebruiken de Krebs-cyclus en glycolyse energie van de chemische bindingen van substraten (zoals glucose) om hoog-energetische verbindingen te vormen zoals ATP en GTP, die worden gebruikt door celsystemen. Ook geproduceerd zijn hoogenergetische, gereduceerde verbindingen: NADH en FADH2. Deze verbindingen zijn het middel waarmee elektronen, die de energie bevatten die oorspronkelijk afkomstig is van glucose of een andere voedingsstof, worden overgebracht naar het volgende proces, de elektronentransportketen.

Elektrontransportketen en oxidatieve fosforylatie

In de elektronentransportketen, die zich in dierlijke cellen meestal op de binnenmembranen van mitochondriën bevindt, worden gereduceerde producten zoals NADH en FADH2 gebruikt om een ​​protongradiënt te creëren - een onbalans in de concentratie van ongepaarde waterstofatomen op één kant van het membraan versus het andere. De protongradiënt drijft op zijn beurt de productie van meer ATP aan, in een proces dat oxidatieve fosforylatie wordt genoemd.

Algemene effecten

Over het geheel genomen omvat fotosynthese het activeren van elektronen door het verminderen van de lichtenergie (toevoegen elektronen naar) CO2 om een ​​grotere verbinding (glucose) te bouwen, waarbij zuurstof als bijproduct wordt geproduceerd. Cellulaire ademhaling, daarentegen, houdt in dat elektronen worden weggehaald van een substraat (bijvoorbeeld glucose), dat wil zeggen oxidatie, en in het proces wordt het substraat afgebroken zodat de koolstofatomen ervan worden vrijgegeven als CO2, terwijl zuurstof wordt verbruikt . Dus, fotosynthese en cellulaire oxidatie zijn bijna tegenovergestelde biochemische processen